基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的三組分氣體檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

張 胥，徐雷鈞，白 雪，肖 暉

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市計(jì)量檢定測(cè)試中心，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

室內(nèi)環(huán)境中含有多組分氣體，其中部分氣體過(guò)量對(duì)人體產(chǎn)生危害，如CH、CO2和CO等氣體。因此，設(shè)計(jì)氣體檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中多組分氣體濃度，能夠有效避免室內(nèi)氣體中毒事件的發(fā)生。

目前，氣體檢測(cè)裝置多采用電化學(xué)法、半導(dǎo)體傳感器以及紅外檢測(cè)法[1]。與其他方式相比，紅外檢測(cè)法具有壽命長(zhǎng)、環(huán)保、響應(yīng)快以及精度高的優(yōu)點(diǎn)，其中非分光紅外檢測(cè)法(NDIR)效果最佳[2]?，F(xiàn)有的紅外氣體檢測(cè)裝置多存在檢測(cè)氣體組分單一、裝置體積過(guò)大和數(shù)據(jù)觀測(cè)不便的問題，關(guān)于多組分、小型化和智能化的氣體檢測(cè)裝置的研究較少。孫世嶺利用LED-PR光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于非色散紅外技術(shù)的低功耗CO2傳感器[3]，但其檢測(cè)氣體組分單一，應(yīng)用場(chǎng)景較少。杜彬彬設(shè)計(jì)了三橢球結(jié)構(gòu)吸收室的甲烷檢測(cè)系統(tǒng)，提高氣體傳感器的分辨率，但氣室體積過(guò)大，不便攜帶[4]。因此，設(shè)計(jì)多組分、可視化且便攜式的氣體檢測(cè)裝置成為解決問題的關(guān)鍵。

為了能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效地檢測(cè)室內(nèi)有害氣體濃度，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的三組分氣體檢測(cè)裝置。該裝置以非分光紅外檢測(cè)法為基本原理，輔以物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)CH、CO2和CO三組分氣體濃度變化的遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測(cè)，利用反射型氣室、緊湊的電路結(jié)構(gòu)縮小了裝置的體積，實(shí)現(xiàn)了小型化。

1 基本檢測(cè)原理

1.1 朗伯-比爾定律

由紅外光譜原理可知，一定頻率的紅外光照射氣體分子時(shí)，被測(cè)氣體分子中擁有相同振動(dòng)頻率的分子鍵振動(dòng)吸收[5]。該頻率紅外光被吸收后，對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)減弱，吸收關(guān)系遵守朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[6]，假設(shè)入射光強(qiáng)為Iin，出射光強(qiáng)為Iout，其表達(dá)式為

Iout=Iin·e-kcl

(1)

式中：k為氣體對(duì)紅外光的吸收系數(shù)；c為吸收紅外光氣體的濃度，ppm(1 ppm=10-6)；l為氣體吸收介質(zhì)的長(zhǎng)度[7]，cm。

1.2 非分光紅外差分檢測(cè)模型

在實(shí)際測(cè)量中，采用多通道的差分檢測(cè)方式可以有效減小誤差。其原理如下，對(duì)于待測(cè)氣體在紅外光通過(guò)后，測(cè)量通道和參比通道的輸出光強(qiáng)IMout、IRout分別為：

IMout=IMin·e-kMcl

(2)

IRout=IRin·e-kRcl

(3)

在采用單光源的情況下，測(cè)量通道和參比通道的初始光強(qiáng)差異可忽略不計(jì)，即IMin≈IRin。由式(2)、式(3)可得到待測(cè)氣體濃度c的表達(dá)式為

(4)

由式(4)可以看出采用差分檢測(cè)方式可以顯著降低入射光強(qiáng)變化所帶來(lái)的影響[8]。

由于熱電堆探測(cè)器的輸出電壓和紅外光輸出光強(qiáng)成正比，即V∝I[9],結(jié)合式(4)可得：

(5)

式中：VMout、VRout分別為熱電堆探測(cè)器測(cè)量通道和參比通道輸出電壓值，mV。

由式(5)可知，在氣體對(duì)紅外光的吸收系數(shù)kR、kM及氣體吸收介質(zhì)長(zhǎng)度l確定已知的情況下，通過(guò)測(cè)量熱電堆探測(cè)器輸出電壓即可反演推算出待測(cè)氣體的實(shí)際濃度值[10]。

本裝置需同時(shí)檢測(cè)CH、CO2和CO氣體的濃度，為縮小裝置體積選用集成一體化熱電堆探測(cè)器HTS-Q21，其內(nèi)外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱電堆探測(cè)器內(nèi)外部結(jié)構(gòu)圖

熱電堆探測(cè)器內(nèi)部是由若干熱電偶串聯(lián)組成，其基本原理遵循塞貝克效應(yīng)，即其輸出電壓取決于熱電偶測(cè)量端(1、3、4、5、6)和基準(zhǔn)端(2)之間的溫度差?；鶞?zhǔn)端的溫度由熱敏電阻測(cè)得，當(dāng)有紅外光照射至探測(cè)器表面，熱電堆測(cè)量端溫度上升，產(chǎn)生熱電勢(shì)，輸出電壓信號(hào)。

熱電堆探測(cè)器外部有4個(gè)不同波長(zhǎng)的濾波片，分別為TP1-3.4 μm(CH對(duì)紅外光吸收波長(zhǎng))、TP2-4.26 μm(CO2對(duì)紅外光吸收波長(zhǎng))、TP3-4.64 μm(CO對(duì)紅外光吸收波長(zhǎng))和TP4-3.91 μm(上述3組氣體對(duì)該波長(zhǎng)紅外光幾乎不吸收)[11]。將氣體不敏感濾波片(TP4)當(dāng)作參比通道，氣體對(duì)紅外光有較好吸收能力的濾波片(TP1、TP2、TP3)當(dāng)作測(cè)量通道，由此構(gòu)成三組氣體差分檢測(cè)的結(jié)構(gòu)。

在本設(shè)計(jì)中以單光源四光路的形式檢測(cè)三組分氣體濃度。借助其探測(cè)器測(cè)量模型如圖2所示。

2 系統(tǒng)總體方案

裝置主要由紅外光源、氣室、熱電堆探測(cè)器組成的光路系統(tǒng)[12]以及光源調(diào)制電路、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、無(wú)線通訊電路組成的電路系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三組分氣體傳感器裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置以ESP8266為核心，其是一個(gè)高度集成的WiFi MCU。當(dāng)裝置正常工作時(shí)，ESP8266的PWM功能引腳輸出2 Hz頻率的方波調(diào)制信號(hào)，在光源驅(qū)動(dòng)電路的作用下驅(qū)動(dòng)紅外光源IRL715。紅外光源以固定頻率發(fā)出連續(xù)光譜的紅外光，經(jīng)氣室反射后到達(dá)熱電堆探測(cè)器HTS-Q21濾波片表面，在濾波片的過(guò)濾后，探測(cè)器內(nèi)部熱電堆根據(jù)特定波長(zhǎng)紅外光的光強(qiáng)產(chǎn)生相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。

由于熱電堆探測(cè)器輸出電壓信號(hào)為μV級(jí)別且其中夾雜著大量噪聲信號(hào)，需要信號(hào)調(diào)理電路完成對(duì)熱電堆探測(cè)器輸出信號(hào)的放大與濾波處理。信號(hào)在處理完畢后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可讀取的數(shù)字量信號(hào)，并利用I2C接口傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)WiFi及MQTT軟通訊協(xié)議將處理完畢的數(shù)據(jù)上傳手機(jī)監(jiān)測(cè)端,實(shí)現(xiàn)了三組分氣體的可視化遠(yuǎn)程檢測(cè)功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 光源驅(qū)動(dòng)電路

由于熱電堆探測(cè)器輸出信號(hào)中包含大量噪聲信號(hào)，為保證有效電壓信號(hào)具有區(qū)分度，在本設(shè)計(jì)中通過(guò)ESP8266外設(shè)接口的PMW功能產(chǎn)生2 Hz頻率的調(diào)制信號(hào)控制紅外光源交替暗滅，使熱電堆探測(cè)器輸出一個(gè)2 Hz特征頻率的信號(hào)以便于提取。

考慮到使用紅外光源正常工作時(shí)電流為115 mA，單片機(jī)外設(shè)驅(qū)動(dòng)電流不能達(dá)到，需要額外的光源驅(qū)動(dòng)電路，其電路如圖4所示。通過(guò)控制可控穩(wěn)壓芯片ADP7118-5,保證輸出穩(wěn)定、連續(xù)且變化的紅外光。由于紅外光源導(dǎo)通電流過(guò)大(約150 mA)，為防止燈的開關(guān)脈沖耦合至較小的熱電堆輸出電壓，將紅外光源采用單獨(dú)電源供電。

圖4 光源驅(qū)動(dòng)電路圖

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

熱電堆探測(cè)器輸出電壓范圍為幾百μV至幾mV不能直接采樣，且其中包含大量的噪聲信號(hào)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，為了使探測(cè)器輸出信號(hào)能達(dá)到采樣電路的最低采樣閾值，需對(duì)其進(jìn)行放大處理；為在噪聲信號(hào)中提取有用的輸出信號(hào)，需對(duì)其進(jìn)行濾波處理。設(shè)計(jì)中采取放大濾波的方式，選用具有極低失調(diào)電壓和漂移的精密運(yùn)算放大器芯片OP281構(gòu)建電路。單路濾波放大電路如圖5所示。

圖5 單路濾波放大電路圖

熱電堆探測(cè)器的每個(gè)通道都配備了84 kΩ的內(nèi)部電阻，可以與電容C1構(gòu)建RC低通濾波電路，其截止頻率為

其22位階躍函數(shù)響應(yīng)時(shí)間為

τ=84 kΩ×39 nF×ln222≈49.9 ms

電阻R1、R2構(gòu)成電路的增益放大部分，其放大增益為

電阻R2與電容C2又構(gòu)成一個(gè)濾波電路，其截止頻率為

其22位階躍函數(shù)響應(yīng)時(shí)間為

τ=200 kΩ×16 nF×ln222≈48.7 ms

由于采用的紅外光調(diào)制頻率為2 Hz，因此22位階躍函數(shù)響應(yīng)時(shí)間約為50 ms。

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后輸出4路模擬信號(hào)：CH、CO2、CO氣體測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，為提高測(cè)量精度，選用ADS1115芯片。這是4通道16位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)對(duì)4路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。通過(guò)硬件I2C接口將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸至ESP8266中進(jìn)行濃度計(jì)算。電路如圖6所示。

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)和用戶監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)。

4.1 下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序操控整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備端的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包含系統(tǒng)初始化、光源調(diào)制、數(shù)據(jù)采集、封裝數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)上傳云端的功能。下位機(jī)軟件流程如圖7所示。當(dāng)裝置上電后程序開始執(zhí)行，首先進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部定時(shí)器及相應(yīng)外設(shè)的初始化操作，然后ESP8266開始連接室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)上傳云端做準(zhǔn)備。當(dāng)連接成功后，進(jìn)行紅外光源的2 Hz調(diào)制并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集探測(cè)器輸出的模擬信號(hào)，每次采集到的數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)均值處理后采用Json字符串的格式進(jìn)行封包，然后通過(guò)WiFi上傳至云端。

圖7 下位機(jī)軟件流程圖

4.2 用戶監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

用戶監(jiān)測(cè)軟件的功能主要是利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)測(cè)量氣體濃度的顯示及氣體濃度過(guò)閾值情況下的報(bào)警，其功能結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要分為物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)及監(jiān)測(cè)界面3個(gè)部分。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)中包括三組分氣體傳感器和外設(shè)I/O設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行云平臺(tái)下發(fā)的控制指令。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)在接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)規(guī)則引擎將數(shù)據(jù)下發(fā)至微信小程序制作監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)三組分氣體的濃度值。

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

裝置的實(shí)驗(yàn)測(cè)試及對(duì)氣體濃度的標(biāo)定在鎮(zhèn)江市計(jì)量檢定測(cè)試中心完成。

選用2 000 ppm濃度的CH、CO2和CO三組分氣體以及高純濃度N2。通過(guò)校準(zhǔn)器發(fā)生器將待測(cè)氣體與高純濃度N2混合進(jìn)行稀釋，從而得到不同的濃度值用于標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)在室溫25 ℃下進(jìn)行，在校準(zhǔn)器發(fā)生氣配比完成后，通過(guò)引氣導(dǎo)管向氣室內(nèi)通入待標(biāo)定的氣體，持續(xù)通氣30 s以排除氣室內(nèi)原有氣體，再靜置30 s待數(shù)值穩(wěn)定后再進(jìn)行讀數(shù)。每組濃度氣體標(biāo)定10次，最終取所有數(shù)據(jù)的平均值減小誤差，其標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣體標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

標(biāo)定完成后，對(duì)三組分氣體測(cè)量電壓和參考電壓的比值做函數(shù)擬合處理，其擬合曲線如圖9所示。

圖9 標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線圖

將擬合得到的函數(shù)寫入代碼中，單片機(jī)會(huì)根據(jù)電壓值，獲得對(duì)應(yīng)氣體濃度值。

為了測(cè)試裝置的穩(wěn)定性，CH、CO2和CO氣體在800 ppm濃度進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，分別測(cè)試5組數(shù)據(jù)。其測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表2可知，測(cè)量的誤差最大為2.95%，具有良好的重復(fù)性，滿足使用需求。

表2 重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù) ppm

并且以CH在600 ppm濃度、CO2在800 ppm濃度及CO在1 000 ppm濃度為例，在不同時(shí)段進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。結(jié)果如圖10所示。

圖10 穩(wěn)定性測(cè)試曲線圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的三組分氣體檢測(cè)小型化裝置，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)CH、CO2和CO三組分氣體濃度的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。以非分光紅外檢測(cè)法為基本原理，設(shè)計(jì)了單光源四光路的反射型氣室結(jié)構(gòu)提高了光路長(zhǎng)度，有效減小了外界環(huán)境帶來(lái)的影響。利用高性能運(yùn)放設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路，有效放大了探測(cè)器輸出微弱信號(hào)并濾除其中的噪聲信號(hào)。以ESP8266為核心，完成光源驅(qū)動(dòng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理以及聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)上傳物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的功能，最終可以在無(wú)線監(jiān)測(cè)端實(shí)時(shí)查看室內(nèi)三組分氣體的濃度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，設(shè)計(jì)的CH、CO2和CO三組分氣體檢測(cè)裝置在0～2 000 ppm內(nèi)的檢測(cè)精度為2.95%，具有穩(wěn)定性好、小型化和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，可應(yīng)用于室內(nèi)或礦井區(qū)等場(chǎng)所實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有害氣體的濃度。